Новое достижение химиков когда-нибудь приведёт к исчезновению классических батареек. Взамен появятся топливные элементы и аккумуляторы, которые будут перезаряжаться в считанные секунды и работать при этом годами. Надежда – на микроскопические объекты, которые находят всё более широкое применение в самых разных областях науки и техники. 

Для демонстрации механических свойств плёнки из многостенных углеродных нанотрубок её нанесли на подложку из гибкого полидиметилсилоксана (PDMS). Даже на сильно изогнутой поверхности слои остаются на месте, что позволяет использовать их для создания гибких аккумуляторов и преобразователей энергии (фото Journal of the American Chemical Society).

Давно известно, что углеродные нанотрубки (carbon nanotube — CNT), эти микроскопические цилиндры из одноатомных слоёв углерода, способны проводить и хранить электрический заряд. Причём по этим показателям они значительно превосходят других своих углеродных "собратьев". Большая суммарная площадь поверхности таких трубок позволяет использовать их для создания батарей и конденсаторов, которые могли бы по многим параметрам превзойти современные аналоги.

Однако на пути учёных к столь желанной цели стоит проблема сбора нанотрубок в один упорядоченный массив со строго определёнными свойствами.

На этой фотографии показан поперечный разрез плёнки из 20 двойных слоёв нанотрубок, снятый с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM). Хорошо видна структура плёнки: трубки не ложатся параллельно поверхности, а направлены в разные стороны, образуют взаимопроникающую структуру, обеспечивающую пористость образца (фото Journal of the American Chemical Society).

Различные добавки, которыми объекты "склеивают" (к примеру, для нанесения на электроды), влияют на дальнейшую работу устройств на их основе. И далеко не всегда положительным образом. Если же их собирать без использования других веществ (физическими методами), то между отдельными нанотрубками остаются слишком большие расстояния (высокая пористость), что также сказывается на свойствах.

Результат: оба существующих подхода к созданию плёнок на основе углеродных нанотрубок приводят к ухудшению электрических свойств конечного продукта – проводимости и ёмкости.

Многие научные группы по всему миру борются с этими эффектами. Однако в Массачусетском технологическом институте (MIT), в лаборатории под руководством профессора Полы Хаммонд (Paula Hammond) и профессора Ян Шао-Хорн (Yang Shao-Horn), впервые были получены чистые, плотные, тонкие плёнки из многослойных углеродных нанотрубок (MWNT).

 Многослойные углеродные нанотрубки есть не что иное, как "матрёшка" из нескольких однослойных трубочек (SWNT), вложенных одна в другую.

Уже несколько лет научная группа Хаммонд и Шао-Хорн работает над послойным методом сборки таких плёнок (layer-by-layer assembly) и достигла в этой области впечатляющих результатов.

Статья авторов, посвящённая данному исследованию, опубликована в Journal of the American Chemical Society, её также можно скачать здесь (PDF-файл, 652 килобайта).

Для начала микроскопические объекты делят на две порции и создают на их основе два раствора: в одном к ним присоединяются положительно заряженные молекулы (результат: MWNT-NH2), в другом – отрицательно заряженные (MWNT-COOH).

Затем исследователи поочередно окунают подложки (один из вариантов: кремниевые) в соответствующие растворы. Разница зарядов приводит к образованию ровных тонких плёнок, в которых многослойные углеродные нанотрубки держатся друг за друга без каких-либо клеящих веществ. Благодаря наличию зарядов решается и другая распространённая проблема: трубки не слипаются в комочки, так как одинаково заряженные объекты отталкиваются друг от друга.

Толщина полученных плёнок зависела от pH растворов, в которые опускалась подложка.

Сверху показана зависимость толщины полученных плёнок от pH растворов (зафиксирован показатель раствора положительно заряженных молекул). Видно, что по мере увеличения pH второго раствора толщина снижается. Снизу – цифровая фотография полученных образцов. Здесь n – количество двойных слоёв в плёнке (MWNT-NH2/MWNT-COOH)n (фото Journal of the American Chemical Society).

Полученные плёнки снимались с подложки и отправлялись в печь. В атмосфере водорода при 300 °С все оставшиеся функциональные группы удалялись с поверхности, оставались лишь чистые углеродные нанотрубки без каких-либо добавок.

Поры составляли порядка 35-43% объёма плёнки (в будущем при создании аккумуляторов их заполнят литием или жидким электролитом).

После отжига учёные наблюдали падение сопротивления на 82% и небольшое уменьшение толщины плёнок (в среднем на 10%). Отметим, что проводимость полученных образцов была всё же выше, чем у ультратонких проводящих плёнок на основе вертикально расположенных однослойных углеродных нанотрубок, однако тот же показатель был ниже, чем у электродов на основе композитного материала (полимер из всё тех же SWNT).

Что же касается ёмкости (среднее значение 159±10 Ф/г), то здесь новым плёнкам почти нет равных, отмечает Ян Шао-Хорн. А это значит, что устройства на основе созданных в её лаборатории объектов сохранят свою работоспособность дольше, будут заряжаться быстрее и обладать большей по сравнению с аналогами выходной мощностью.

Фотография, полученная с помощью атомного силового микроскопа (AFM), демонстрирует полученную разветвлённую сеть связанных между собой нанотрубок (средний диаметр 15±5 нанометров). Размер изображения 4 х 4 микрометра (фото Journal of the American Chemical Society).

Учёные сравнивают своё детище с электродами, на которые похожим послойным методом был нанесён композитный материал (полимер и нанотрубки). Однако полимер не может по проводимости сравниться с микроскопическими объектами из атомов углерода, потому и общий показатель таких плёнок "хромает". Если же в качестве сравнения брать электроды, на которых был выращен "лес" вертикально стоящих однослойных нанотрубок, то их массив получается недостаточно плотным.

Ещё одним несомненным достоинством новых плёнок является возможность модификации их поверхности (в процессе синтеза можно варьировать параметры, например pH растворов или количество двойных слоёв, что приведёт к изменению характеристик конечного материала). В случае со связующим веществом это сделать сложнее, так как оно почти не позволяет изменять свойства поверхности.

Есть и недостаток, с которым химики из MIT пока ещё не смогли справиться: метод послойной сборки плёнок занимает много времени. Толщина типичных электродов порядка 10-100 микрометров, а группа Хаммонд создаёт плёнки толщиной всего лишь в один микрометр.

Впрочем, работа не стоит на месте, и учёные продолжают двигаться в направлении улучшения технологии, разрабатывая методику нанесения на подложку раствора в виде аэрозоля. Такой подход сократил бы время на создание плёнок в разы, говорит Шао-Хорн, а это очень важно для коммерциализации производства.

В MIT над подобными проектами трудятся и в лаборатории профессора Джоэла Шиндалла (Joel Schindall). Здесь разработке ищут практическое применение, пытаясь заменить ультраконденсаторами на основе массива нанотрубок батареи гибридных автомобилей (фото Erik Sofge/popularmechanics.com).

Данная разработка – не единственная в своём роде, и исследования будут продолжаться даже тогда, когда на рынок выйдет готовый продукт. Тем не менее именно у этой лаборатории есть все шансы получить от этого максимальную выгоду.

www.membrana.ru